第1章 化学反应与能量转化微项目　设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案 试卷

微项目　设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案

基础过关练

1.(2019山东聊城一中高三阶段性检测)美国普度大学研究开发出一种利用铝镓合金与电化学原理制备氢气的新工艺(如图所示)。下列有关该工艺的说法错误的是(　　)

A.该过程中,能量的转化形式有两种

B.铝镓合金可以循环使用

C.铝镓合金与水反应的化学方程式为2Al+3H2O Al2O3+3H2↑

D.总反应为2H2O 2H2↑+O2↑

2.(2020山东临沂高三期末)一种将CO2和H2O转化为燃料H2、CO及CH4的装置如图所示(电解质溶液为稀硫酸)。下列关于该装置的叙述错误的是(　　)

A.该装置可将电能转化为化学能

B.工作时,电极a周围溶液的pH增大

C.电极b上生成CH4的电极反应式为CO2+8H++8e- CH4+2H2O

D.若电极b上只产生1 mol CO,则通过质子交换膜的H+数为2NA(设NA为阿伏加德罗常数的值)

3.(2020福建厦门外国语学校高二期中)乙醛酸(HOOC—CHO)是有机合成的重要中间体。工业上用“双极室成对电解法”生产乙醛酸,原理如图所示。该装置中阴、阳两极为惰性电极,两极室均可产生乙醛酸,其中乙二醛与M电极的产物反应生成乙醛酸。下列说法正确的是(　　)

A.M极与直流电源的负极相连

B.若有2 mol H+通过质子交换膜并完全参与反应,则该装置中生成的乙醛酸为1 mol

C.N电极上的电极反应式:HOOC—COOH-2e-+2H+ HOOC—CHO+H2O

D.乙二醛与M电极的产物反应生成乙醛酸的化学方程式:Cl2+OHC—CHO+H2O HOOC—CHO+2HCl

4.(2020山西太原高二期末)人工光合系统装置(如图)可实现以CO2和H2O合成CH4。下列有关说法不正确的是(　　)

A.该装置中铜为正极

B.电池工作时,H+向Cu电极移动

C.GaN电极的电极反应式:2H2O-4e- O2↑+4H+

D.反应CO2+2H2O CH4+2O2中每消耗1 mol CO2转移4 mol e-

5.请回答下列问题:

(1)“神舟七号”飞船的太空舱里,NiFe2O4可用来促进航天员呼出的CO2转化为O2,而NiFe2O4的质量和化学性质保持不变,则在这个转化过程中NiFe2O4可能起　　　　　　作用。 

(2)航天员出舱行走所穿航天服中的CO2可用LiOH来吸收,已知LiOH与NaOH具有相似的化学性质,则有关反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　。 

能力提升练

1.(2020辽宁沈阳东北育才学校高二月考,)某科学家利用二氧化铈(CeO2)在太阳能作用下将H2O、CO2转变为H2、CO。其过程如下:

mCeO2 (m-x)CeO2·xCe+xO2

(m-x)CeO2·xCe+xH2O+xCO2 mCeO2+xH2+xCO

下列说法不正确的是(　　)

A.该过程中没有消耗CeO2

B.该过程实现了太阳能向化学能的转化

C.图中ΔH1=ΔH2+ΔH3

D.以CO和O2构成的碱性燃料电池的负极反应式为CO+4OH--2e- C+2H2O

2.(2020河北衡水中学二轮备考,)如图是一种染料敏化太阳能电池的示意图。电池的一个电极由有机光敏燃料(S)涂覆在TiO2纳米晶体表面制成,另一个电极由镀铂导电玻璃构成,电池中发生的反应为:

TiO2/S TiO2/S*(激发态)

TiO2/S* TiO2/S++e-

+2e- 3I-

2TiO2/S++3I- 2TiO2/S+

下列关于该电池的叙述错误的是(　　)

A.电池工作时,是将太阳能转化为电能

B.电池工作时,I-在镀铂导电玻璃电极上放电

C.电池中镀铂导电玻璃为正极

D.电池的电解质溶液中I-和的浓度不会减小

3.(2020山西运城期末调研,)截至2017年年底,中国光伏发电新增装机容量已达到53 GW,光伏发电累计装机容量达到130.25 GW。图中Ⅰ为光伏并网发电装置,图中Ⅱ为电解尿素[CO(NH2)2]的碱性溶液制氢的装置示意图(电解池中隔膜仅阻止气体通过,阴、阳极均为惰性电极),该装置实现了能量与物质的转化利用。下列叙述中正确的是(　　)

A.图中Ⅰ中N型半导体为正极,P型半导体为负极

B.图中Ⅱ中电子流向:从B极流向A极

C.X2为氧气

D.工作时,A极的电极反应式为CO(NH2)2+8OH--6e- C+N2↑+6H2O

4.(2020河南平顶山高二期末调研,)利用光伏电池提供电能处理废水中的污染物(有机酸阴离子用R-表示),并回收有机酸HR,装置如图所示。下列说法错误的是(　　)

A.在光伏电池中a极为正极

B.石墨(2)极附近溶液的pH降低

C.c2<c1

D.若两极共收集到3 mol气体,则理论上转移4 mol电子

5.(2020黑龙江顶级名校高三期中,)电-Fenton法是用于水体中有机污染物降解的高级氧化技术,其反应原理如图所示。其中电解产生的H2O2与Fe2+发生Fenton反应:H2O2+Fe2+ Fe3++OH-+·OH,生成的羟基自由基(·OH)能氧化降解有机污染物,实现有机污染物的转化。下列说法中正确的是(　　)

A.电源的X极为正极,Y极为负极

B.阴极的电极反应式为Fe2+-e- Fe3+

C.每消耗1 mol O2,整个电解池中理论上可产生2 mol·OH

D.阳极的电极反应式为H2O-e- H++·OH

答案全解全析

基础过关练

1.A　铝镓合金与水反应的过程中必然伴随着能量变化,主要是化学能转化为热能;太阳能电池工作时,太阳能转化为电能;电解过程中电能转化为化学能,因此题述过程中能量的转化形式不是两种,A错误。根据题图可知铝镓合金可以循环使用,B正确。由题图可知,铝镓合金与水反应的化学方程式为2Al+3H2O Al2O3+3H2↑,C正确。分析整个流程,可知总反应为2H2O 2H2↑+O2↑,D正确。

2.B　该装置含有外加电源,属于电解池,电解质溶液为稀硫酸,根据题图可知,电极a为阳极,电极反应式为2H2O-4e- O2↑+4H+,电极b为阴极,阴极上生成CH4的电极反应式为CO2+8e-+8H+ CH4+2H2O。该装置为电解池,将电能转化为化学能,故A正确;工作时,电极a的电极反应式为2H2O-4e- O2↑+4H+,c(H+)增大,pH减小,故B错误;根据上述分析,电极b上生成CH4的电极反应式为CO2+8e-+8H+ CH4+2H2O,故C正确;若电极b只产生CO,电极反应式为CO2+2e-+2H+ CO+H2O,产生1 mol CO,消耗2 mol H+,即通过质子交换膜的H+的物质的量为2 mol,故D正确。

3.D　A项,根据H+的移动方向,确定M电极是阳极,M极与直流电源的正极相连,故A错误;B项,2 mol H+通过质子交换膜,则电池中转移2 mol电子,N电极的电极反应式为HOOC—COOH+2e-+2H+ HOOC—CHO+H2O,可知生成1 mol乙醛酸,同时在阳极上1 mol Cl2能将1 mol乙二醛氧化为1 mol乙醛酸,生成的乙醛酸共为2 mol,故B错误;C项,N电极上HOOC—COOH得电子生成HOOC—CHO,则电极反应式为HOOC—COOH+2e-+2H+ HOOC—CHO+H2O,故C错误;D项,氯气具有氧化性,能将乙二醛氧化为乙醛酸,乙二醛与M电极的产物Cl2反应生成乙醛酸的化学方程式为Cl2+OHC—CHO+H2O HOOC—CHO+2HCl,故D正确。

4.D　根据电子流向知,GaN是负极、Cu是正极,负极反应式为2H2O-4e- O2↑+4H+,正极反应式为CO2+8e-+8H+ CH4+2H2O,在原电池中,阳离子向正极移动,据此分析解答。铜为正极,故A正确;电池工作时,H+向Cu电极移动,故B正确;GaN是负极,负极反应式为2H2O-4e- 4H++O2↑,故C正确;反应CO2+2H2O CH4+2O2中每消耗1 mol CO2转移8 mol e-,故D错误。

5.答案　(1)催化　(2)CO2+2LiOH Li2CO3+H2O

解析　(1)由题意可知NiFe2O4促进了反应的发生,但反应前后其质量和化学性质不变,则NiFe2O4可能起催化作用;(2)由题意可知反应物为CO2、LiOH,生成物为Li2CO3、H2O,根据质量守恒定律,可以写出LiOH与CO2反应的化学方程式:CO2+2LiOH Li2CO3+H2O。

能力提升练

1.C　根据题目给出的反应,可得总反应为H2O+CO2 H2+CO+O2,没有消耗CeO2,故A正确;该过程在太阳能作用下将H2O、CO2转变为H2、CO、O2,将太阳能转变成化学能,故B正确;根据盖斯定律,可得-ΔH1=ΔH2+ΔH3,故C错误;CO在负极上失电子生成CO2,在碱性条件下CO2与OH-反应生成C,故负极反应式为CO+4OH--2e- C+2H2O,故D正确。

2.B　根据示意图可知该装置将太阳能转化为电能,A项正确;在外电路中电子由负极流向正极,则镀铂导电玻璃电极作正极,正极反应式为+2e- 3I-,B项错误,C项正确;该电池的电解质溶液中I-和的浓度不会减小,D项正确。

3.D　电解池反应时,氮元素化合价由-3价变为0价,则生成氮气的电极A是阳极,电极B是阴极,所以Ⅰ中N型半导体为负极,P型半导体为正极,故A错误;电解时,电子的流向:阳极(A极)→电源正极,电源负极→阴极(B极),故B错误;阴极上水得电子生成氢气和氢氧根离子,电极反应式为2H2O+2e- H2↑+2OH-,故C错误;A极为阳极,电极反应式为CO(NH2)2+8OH--6e- C+N2↑+6H2O,故D正确。

4.B　根据电子移动的方向,可知在光伏电池中a极为正极,b极为负极,故A正确;石墨(2)为电解池的阴极,H+得电子生成氢气,c(H+)减小,pH升高,故B错误;石墨(1)为电解池的阳极,OH-失电子生成氧气,c(H+)增大,H+透过阳膜进入浓缩室,石墨(2)为电解池的阴极,H+得电子生成氢气,R-透过阴膜进入浓缩室,使得浓缩室中HR的浓度增大,所以c2<c1,故C正确;根据阳极的电极反应:4OH--4e- O2↑+2H2O,阴极的电极反应:4H++4e- 2H2↑,可知若两极共收集到3 mol气体,则理论上转移4 mol电子,故D正确。

5.D　电源的X电极连接的电极上氧气得电子生成H2O2,发生还原反应,则该电极为阴极,所以X极为负极,Y极为正极,故A错误;O2、Fe3+在阴极上得电子发生还原反应,电极反应式为O2+2H2O+2e- H2O2+2OH-、Fe3++e- Fe2+,故B错误;1 mol O2转化为1 mol H2O2转移2 mol e-,1 mol Fe3+转化为1 mol Fe2+转移1 mol e-,由Fe2++H2O2 Fe3++OH-+·OH可知,生成1 mol·OH时转移3 mol e-,根据阳极反应式H2O-e- H++·OH,可知转移3 mol e-时生成3 mol ·OH,所以消耗1 mol O2,可以产生4 mol·OH,故C错误;阳极上水失电子生成·OH和氢离子,其电极反应式为H2O-e- ·OH+H+,故D正确。